CN102052078B - 一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统 - Google Patents

Abstract

一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，包括激光全站仪、激光标靶、第一棱镜、第二棱镜、后视棱镜以及计算机，所述后视棱镜用于检测测量过程中全站仪的位置是否发生变动，所述激光标靶用于实时测量盾构机的姿态角，所述第一棱镜和第二棱镜分别安装在盾构机两端，所述激光全站仪通过发射激光测量所述第一棱镜和第二棱镜及激光标靶棱镜在大地坐标系下的坐标，再结合上述激光标靶测量得到的姿态角数据，由计算机计算得到多组姿态角并进行融合处理，即可得到优化的盾构机姿态角，实施对盾构机的实时导向。本发明在标靶内部传感器出现故障或是定位棱镜被遮挡时仍可获得盾构机姿态角，保障连续测量，具有测量精度高及工作稳定性强等优点。

Description

一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统

技术领域

本发明涉及一种盾构机实时导向系统，可用于地铁隧道、过江隧道等隧道掘进领域。

背景技术

盾构机隧道掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程建设技术，是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的。早期的盾构机，主要是利用盾构机所特有的盾壳作为支护，防止地层的坍塌，以保证在其内部安全地进行开挖和衬砌等各种作业，开挖基本上是采用人工开挖方式。随着隧道工程的不断增多，为适应不同条件下的施工要求和提高施工效率，除不断完善软土隧道掘进机(即盾构机)及应用技术，又开发出能够适应岩石地层施工的岩石隧道掘进机及应用技术。随着技术的发展，遥控控制技术、激光制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中，使得盾构机的操作、地表沉降的控制更趋简易，隧道的施工质量也越来越好。

现在盾构机中常用的导向系统有三种类型：陀螺仪导向系统、激光标靶导向系统和棱镜法导向系统。它们都能测量盾构机施工过程中的位姿，得到盾构机任意时刻的位置和姿态角数据，但各自的实现原理不同：

1.陀螺仪法导向系统：经典陀螺仪的基本结构是一个高速旋转的转子和各自分别固定在两个轴承上的两个框架。旋转转子的轴一般处于竖直的位置，所以紧靠转子的内框架是在竖直面上，而另一个框架则位于水平面上。这样的装置的两个框架的轴线全部在水平面上。姿态陀螺仪的基本原理就是角动量守恒，在没有外力矩的情况下，高速旋转的转子的角动量的大小和方向在惯性空间中保持不变。一般外框架的外轴承固定在飞行器结构上，飞行器的轴线和外框架的轴线相平行，这样在飞行器姿态变化时，它的翻滚角和俯仰角可以在外框架的内外轴承上测量出来。在这一类陀螺仪中，结构的不平衡，结构重心的偏离和轴承的摩擦力是这种陀螺仪的最主要的误差来源。这些因素引起了一定的力矩，使得陀螺仪的方位产生漂移。

陀螺仪用于盾构掘进机的方位检测时，能自动显示方位角、倾斜角、回转角。与掘进机的姿势管理软件连接可准确地实现顶管掘进机、盾构掘进机的施工管理。特点：陀螺仪是动态跟踪设备，通过与计算机联系，直接反映盾构机推进的过程数据，为盾构机定位提供了有利的保障，这为盾构机时刻处于良好的推进状态打下了基础。缺点是时滞较大，盾构机受地势影响会产生震动，陀螺仪有可能不能保持静定精度。由于以上特点，所以在施工中陀螺仪仅作为辅助参考，主要还是人工测量。

2.棱镜法导向系统：

具有代表性的是日本演算工房开发的棱镜法导向系统。在盾构机上三个已知位置安装全反射棱镜，依次测量三个棱镜的大地坐标，由于物体上三个点的坐标即可确定物体的位姿，则通过坐标运算，可得到盾构机在大地坐标系中的坐标位置和角度姿态。三棱镜法缺点是，三个棱镜的坐标不是同时测量得到，由于盾构机处于不断推进过程中，棱镜的位置坐标存在滞后性，需要利用算法补偿，且补偿无法完全抵消测量滞后所产生的误差，而棱镜坐标点测量的误差对盾构机姿态角的测量影响非常大。三个棱镜在盾构机内分布的区域较广，在掘进过程中，随着盾构机姿态的变化，易出现一个或两个棱镜被障碍物遮挡，无法测量的情况。

3.激光标靶法导向系统：

具有代表性的有由德国Vermessungstechnik公司生产的VMT导向系统和英国ZED Tunnel Guidance公司生产的ZED导向系统。电子标靶固定在盾体上，利用全站仪(Electronic Total Station，全站型电子速测仪)测量标靶上的棱镜坐标，同时发射激光束到标靶的传感器表面。标靶接收到入射激光束时，在水平及垂直方向上确定入射点的位置，从而确定水平偏航角。另外，其内部倾角仪测量盾构机轴线的滚动角与俯仰角。传统的激光标靶导向系统的主要缺点：为提供测量水平偏航角的激光束，需要改装全站仪，在全站仪上加装一个激光器，并确保激光器光轴与全站仪测距激光轴线平行。

公开号CN101392653的发明专利申请“隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置”，提供了一种新型电子标靶。该测量装置可直接利用全站仪的测距激光测量水平偏航角，利用倾角仪测量盾构机的滚角和俯仰角；克服了陀螺仪测量姿态角时不能保持静定精度、传统电子标靶需要改装全站仪的问题，可应用于激光标靶导向系统中。

激光标靶对地下隧道环境适应性存在问题，环境温度的变化会引起标靶内部传感器特性的变化，湿度过大使得标靶感光特性变化，地下施工中各种光源干扰激光束的测量，盾构机在掘进过程中的振动会对标靶内部测角传感器产生各种噪声干扰。

发明内容

本发明提供一种利用多路传感器实时测量盾构机位姿的导向系统，利用多传感器获取的数据进行数据融合，提高盾构机自动位姿测量的精度和稳定性。

本发明提供的一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，其特征在于：该系统包括全站仪，激光标靶，第一、第二棱镜，后视棱镜以及计算机；第一棱镜安装在盾构机内靠近盾尾的一端，第二棱镜安装在盾构机内靠近盾构机刀盘的一端，激光标靶安装在盾构机内，并且与第一、第二棱镜成三角形布置，全站仪安装在隧道内固定的观测台上，观测台后方远处隧道同样固定有安装后视棱镜的观测台，全站仪和激光标靶均与计算机通讯，实现数据和控制指令的传输。其中激光标靶内装有双轴倾角仪和测量水平偏航角的光敏位置传感器，激光标靶的反射棱镜用于对标靶进行定位测量；第一、第二棱镜亦用于盾构机姿态角测量；后视棱镜用于检测全站仪位置是否发生变动。

本发明利用激光全站仪搜索激光标靶的反射棱镜并发射激光到激光标靶，测量得到激光标靶棱镜的坐标和发射激光的水平方位；同时激光标靶测量其轴线与入射激光的夹角以及盾构机的滚角和俯仰角；然后激光全站仪分别搜索第一、第二棱镜并测量其坐标。上述测量结果分别送到自动导向系统的主控计算机，计算机提取标靶测量得到的盾构机滚角和俯仰角，根据全站仪测量的入射激光的水平方位和标靶测量的入射激光与其轴线的夹角计算出盾构机水平角；另一方面，计算机由标靶测量数据得到盾构机滚角，再根据测量到的第一、第二棱镜的坐标和第一棱镜、标靶棱镜的坐标由两棱镜法分别解算出两组盾构机俯仰角和水平角；此外，计算机根据三棱镜法，由第一、第二棱镜坐标以及标靶棱镜坐标解算得到另一组盾构机的水平角、俯仰角和滚角。测量得到的多组姿态角通过适当的融合算法获得更高精度的盾构机姿态数据，进一步计算得到盾构机刀盘中心和盾尾中心的大地坐标，在主控计算机内与设计轨道(DTA)中的数据比较，可计算实时掘进偏差量，指导盾构机的掘进方向和纠偏。

本发明与现有技术相比的优点在于：利用多路传感器对盾构姿态进行实时测量，对测量得到的多组数据进行融合处理可有效提高盾构机位姿测量精度；同时多路传感器数据的并行提取与数据处理，提高了位姿测量的可靠性和稳定性，当某个或某些传感器数据失真时，可通过融合算法去除无效数据，确保系统正常工作。

附图说明

图1为本发明系统的结构组成示意图；

图2为本发明系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步的说明。

本发明提供的一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，在激光标靶法测量导向系统的基础上，将盾构机内多个已知安装点的坐标数据与标靶测量数据进行融合，提高导向系统的精度和稳定性。

本发明系统包括全站型电子速测仪1(即激光全站仪)，激光标靶2，第一棱镜3、第二棱镜4，计算机6以及后视棱镜7。

第一棱镜3安装在盾构机5内靠近盾尾的一端，第二棱镜4安装在盾构机5内靠近盾构机刀盘的一端，激光标靶2安装在盾构机5内，其轴线与盾构机轴线平行，全站仪1安装在隧道内固定的观测台上，观测台后方远处隧道同样固定着安装有后视棱镜7的另一观测台，全站仪1和激光标靶2均与计算机6通过有线或无线的方法实现通信连接，可实现数据和控制指令的传输。激光标靶2、第一棱镜3和第二棱镜4呈三角形布置并安装于盾构机内的合适位置，以确保盾构机后方隧道内安装的全站仪1可无障碍观测到激光标靶2、第一棱镜3以及第二棱镜4。第一棱镜3和第二棱镜4以及第一棱镜3和激光标靶2的定位棱镜即标靶棱镜在盾构机轴线上的投影距离应尽可能远，在目前全站仪的测量精度下，此投影距离大于2.5米时可保证水平方位角和俯仰角测量精度满足盾构机姿态测量精度要求。

盾构机进入隧道开始掘进之前，首先通过人工测量方法对激光标靶2，第一棱镜3以及第二棱镜4在盾构机内部的安装位置进行精确标定：确定激光标靶2到盾构机轴线的旁距、高距以及到盾构机切口中心和盾尾中心的纵距；以第一棱镜3为坐标原点，盾构机轴线方向为x轴建立盾构机体坐标系A；以全站仪1所在位置为坐标原点，正北方向为x轴建立全站仪坐标系(大地坐标系)B。第一棱镜3和第二棱镜4安装好后与盾构机的相对位置是固定的，盾构机体坐标系A以第一棱镜3为坐标原点，第二棱镜4在该局部坐标系A中的坐标(L，S，H)可通过标定求出：全站仪1在坐标系B中分别测量第一棱镜3和第二棱镜4的坐标，测得棱镜坐标分别为Ar(x1，y1，z 1)和Br(x2，y2，z2)，由坐标旋转公式，有

式中M盾构为盾构机体坐标系A相对全站仪坐标系B的旋转矩阵，

其中α，β，γ分别为盾构机滚角、俯仰角、水平角。标定时由人工方法测量得到盾构机初始的滚角、俯仰角和水平角，代入式(1)即可求得第二棱镜4在盾构机局部坐标系中的坐标(L，S，H)。

得到第二棱镜4在盾构机局部坐标系中的坐标(L，S，H)后，盾构机行进过程中测量得到激光标靶2内置双轴倾角仪滚角数据和第一、第二反射棱镜3、4以及标靶棱镜的坐标数据，代入式(1)即可求出两棱镜法测量得到的两组盾构机实时俯仰角和水平角。

盾构机在实际掘进过程中，全站仪1发射测距激光测量标靶棱镜的大地坐标时，激光标靶2测量得到激光对标靶平面的水平偏航角、标靶内置的倾角仪测量得到盾构机坐标系A绕大地坐标系B旋转的俯仰角和滚角；全站仪随后依次测量第一棱镜3、第二棱镜4的大地坐标；所有数据送入电脑后，进行多路并行的盾构机姿态角参数提取，分别计算获得盾构机轴线滚角α、俯仰角β和水平方位角γ，然后根据不同的权系数进行姿态角数据融合，以提高盾构机姿态角数据精度，最后以融合计算后的姿态角数据，利用激光标靶2到盾构机轴线的旁距、高距以及到盾构机切口中心和盾尾中心的纵距计算盾构机的切口中心和盾尾中心实时大地坐标。

当第一棱镜被遮挡时，可直接采用标靶法测量得到的姿态角作为盾构机最终姿态角；当标靶棱镜被遮挡时，可直接采用第一棱镜和第二棱镜构成两棱镜法提取盾构机姿态角作为盾构机最终姿态角；当第二棱镜被遮挡时，采用第一棱镜和标靶棱镜构成两棱镜法提取盾构机姿态角并与标靶法测量得到的姿态角进行数据融合作为盾构机最终姿态角；当标靶内的光敏传感器出现故障无法测水平偏航角时，以第一和第二棱镜构成两棱镜法、以第一和第二棱镜以及标靶棱镜构成三棱镜法分别提取盾构机位姿并进行数据融合作为盾构机最终姿态角。

本发明中，可采用专利号为ZL200410012735.2的标靶，也可采用公开号为CN101392653的专利文献“隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置”中的标靶。

参见图2，测量系统的工作流程如下：

系统的相关参数设定后，启动系统。盾构机正在掘进施工的状态下，全站仪1受计算机6控制，自动搜索目标，根据测量距离参数确定已找到激光标靶2，发射入射激光并测量激光的水平方位和标靶棱镜坐标(x0，y0，z0)；

激光标靶2感应到入射激光，测量入射激光打在激光标靶靶面上的坐标(x_t，y_t)，并和倾角仪测量得到的盾构机滚角α1、俯仰角β1一起送入到计算机6中，由计算机计算得到入射激光与标靶轴线水平夹角η＝arctanx_t/f，进而得到盾构机水平角

同时，全站仪1继续自动搜索目标，发现第一棱镜3并测量得到其坐标(x1，y1，z1)，送入计算机6；

全站仪1继续搜索，发现第二棱镜4并测量得到其坐标(x2，y2，z2)，送入计算机6；

由于测量时盾构机是不断掘进的，因此激光标靶、第一和第二棱镜这3个测量目标的测量数据不是同时得到的，需要对测量结果中的时间滞后误差进行修正。可由传感器测量得到盾构机行进的速度，结合全站仪测量棱镜坐标的时间滞后量，得到盾构机的推进位移，分别对全站仪测量得到的第一棱镜3、第二棱镜4的坐标进行误差补偿，用补偿后的坐标(x1′，y1′，z1′)和(x2′，y2′，z2′)进行盾构机姿态角的计算。

计算机6将补偿后的2个棱镜的坐标和标靶棱镜坐标、倾角仪测量得到的盾构机滚角α1、标定得到的棱镜相关参数代入式(1)，计算通过由两棱镜法得到的两组盾构机姿态角数据特征参数：滚角α3＝α2＝α1、俯仰角β2、β3、水平方位角γ2、γ3；同时计算机6根据三棱镜法盾构机姿态角解算式，利用补偿后的2个棱镜的坐标和标靶棱镜坐标计算另一组盾构机姿态角：滚角α4、俯仰角β4、水平方位角γ4。

按照权重将提取的姿态角参数进行融合，过滤粗大误差，获取高精度的盾构机姿态角数据：

滚角α＝(ω1*α1+ω4*α4)/(ω1+ω4)

俯仰角β＝(λ1*β1+λ2*β2+λ3*β3+λ4*β4)/(λ1+λ2+λ3+λ4)

水平方位角γ＝(μ1*γ1+μ2*γ2+μ3*γ3+μ4*γ4)/(μ1+μ2+μ3+μ4)

其中ω1，ω4，λ1，λ2，λ3，λ4，μ1，μ2，μ3，μ4为姿态角融合时选取的不同的权重系数。权重系数根据提取的姿态角参数α、β、γ变化而变化，以获得最优解。

当第一棱镜3被遮挡时，可直接采用根据激光标靶2测量得到的姿态角即第一组姿态角作为盾构机最终姿态角，此时ω4＝λ2＝λ3＝λ4＝μ2＝μ3＝μ4＝0；

当标靶棱镜被遮挡时，可采用根据第一棱镜3和第二棱镜4的坐标利用两棱镜法得到的姿态角即第二组盾构机姿态角与激光标靶(2)测量得到的盾构机俯仰角和滚角进行数据融合处理作为盾构机最终姿态角，此时μ1＝ω4＝λ3＝λ4＝μ3＝μ4＝0；

当第二棱镜4被遮挡时，采用第一棱镜(3)和标靶棱镜构成两棱镜法提取盾构机姿态角即第三组盾构机姿态角并与激光标靶(2)测量得到的姿态角进行数据融合处理作为盾构机最终姿态角，此时ω4＝λ2＝λ4＝μ2＝μ4＝0；

当激光标靶(2)内的光学测角传感器出现故障无法测水平偏航角时，可以第二组盾构机姿态角和以第一棱镜(3)、第二棱镜(4)以及标靶棱镜构成三棱镜法得到的盾构机位姿态角即第四组盾构机姿态角进行数据融合处理作为盾构机最终姿态角，此时μ1＝0。

当系统正常工作时，上述权重系数按最小二乘原则确定：使(α-α1)²+(α-α4)²、(β-β1)²+(β-β2)²+(β-β3)²+(β-β4)²以及(γ-γ1)²+(γ-γ2)²+(γ-γ3)²+(γ-γ4)²均取最小值的权重系数ω1，ω4，λ1，λ2，λ3，λ4，μ1，μ2，μ3，μ4即为权重系数最优解。

由上可知，本系统在地下隧道所处的复杂工作条件和环境影响下，可以最大限度的提高位姿测量的精度、可靠性、稳定性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，其特征在于：该系统包括激光全站仪(1)、激光标靶(2)、第一棱镜(3)、第二棱镜(4)、以及计算机(6)，其中，

所述激光标靶(2)安装在盾构机(5)内部，其轴线与盾构机(5)轴线平行，用于实时测量盾构机(5)的滚角和俯仰角，所述第一棱镜(3)安装在盾构机(5)内靠近盾尾的一端，第二棱镜(4)安装在盾构机(5)内靠近盾构机刀盘的一端，所述全站仪(1)安装在盾构机(5)后方隧道内的固定观测台上，通过发射测距激光以测量所述第一棱镜(3)和第二棱镜(4)及标靶棱镜在大地坐标系下的坐标；

所述计算机(6)提取激光标靶(2)测量得到的盾构机滚角和俯仰角，再根据所述测距激光的水平方位角和所述测距激光与激光标靶(2)轴线的夹角计算出盾构机水平角，进而得到第一组盾构机姿态角；

同时，所述计算机(6)根据激光标靶(2)测量得到的上述盾构机滚角，利用两棱镜法，通过第一棱镜(3)和第二棱镜(4)的坐标以及通过第一棱镜(3)和标靶棱镜的坐标，解算出两对盾构机俯仰角和水平角，从而分别得到第二组和第三组盾构机姿态角；

此外，所述计算机(6)根据三棱镜法，由第一棱镜(3)和第二棱镜(4)坐标以及标靶棱镜坐标解算得到第四组盾构机姿态角；

上述四组盾构机姿态角通过融合处理获得优化的盾构机最终姿态角，进一步计算得到盾构机刀盘中心和盾尾中心的大地坐标，再通过与设计轨道(DTA)中的数据比较，计算实时掘进偏差量，从而实现对盾构机的实时导向。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，其特征在于，所述融合处理的公式为：

滚角α＝(ω1*α1+ω4*α4)/(ω1+ω4)

俯仰角β＝(λ1*β1+λ2*β2+λ3*β3+λ4*β4)/(λ1+λ2+λ3+λ4)

水平角γ＝(μ1*γ1+μ2*γ2+μ3*γ3+μ4*γ4)/(μ1+μ2+μ3+μ4)

其中，α1、β1和γ1分别为第一组盾构机姿态角中的滚角、俯仰角和水平角，β2和γ2分别为第二组盾构机姿态角中的俯仰角和水平角，β3和γ3分别为第三组盾构机姿态角中的俯仰角和水平角，α4、β4和γ4为第四组盾构机姿态角中的滚角、俯仰角和水平角，ω1，ω4，λ1，λ2，λ3，λ4，μ1，μ2，μ3，μ4分别为权重系数。

3.根据权利要求2所述的一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，其特征在于，所述权重系数ω1，ω4，λ1，λ2，λ3，λ4，μ1，μ2，μ3，μ4按最小二乘原则确定，即使(α-α1)²+(α-α4)²，(β-β1)²+(β-β2)²+(β-β3)²+(β-β4)²以及(γ-γ1)²+(γ-γ2)²+(γ-γ3)²(γ-γ4)²均取最小值的权重系数ω1，ω4，λ1，λ2，λ3，λ4，μ1，μ2，μ3，μ4确定为最优的权重系数。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，其特征在于，测量得到的所述第一棱镜(3)和第二棱镜(4)在大地坐标系下的坐标先根据盾构机(5)的推进位移进行误差补偿，再利用补偿后的坐标数据进行所述盾构机姿态角的计算。

5.根据权利要求1-3之一所述的一种多传感器数据融合的盾构机实时导向系统，其特征在于，还可直接采用根据激光标靶(2)测量得到的第一组姿态角作为盾构机最终姿态角；或采用根据第一棱镜(3)和第二棱镜(4)的坐标利用两棱镜法得到的第二组盾构机姿态角与激光标靶(2)测量得到的盾构机俯仰角和滚角进行数据融合处理作为盾构机最终姿态角；或采用第一棱镜(3)和标靶棱镜构成两棱镜法提取盾构机姿态角并与激光标靶(2)测量得到的姿态角进行数据融合处理作为盾构机最终姿态角；或以第二组盾构机姿态角和第四组盾构机姿态角进行数据融合处理作为盾构机最终姿态角。

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